Lucrare de laborator nr. 3 Proiectarea circuitelor logice ... · LEVEL=4 Model BSIM11 (Berkeley...

12
Laborator Proiectare Asistată de Calculator 2 Lucrare nr.3 1 Lucrare de laborator nr. 3 Proiectarea circuitelor logice in tehnologie CMOS Scopul lucrării: însuşirea cunoştinţelor privind proiectarea circuitelor logice în tehnologie CMOS (tranzistorul MOS, modele SPICE, parametrii de model, structuri logice CMOS, principii de proiectare a porţilor logice simple, dimensionare tranzistoare, descriere şi simulare SPICE, caracteristici statice). I. Tranzistorul MOS Dispozitivele logice CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductors) sunt în present cele mai utilizate dispozitive din cadrul circuitelor logice complexe cum ar fi microprocesoarele sau circuitele pentru comunicatii sau procesare de semnal. Structura CMOS este utilizată pe scară largă în circuitele integrate datorita următoarelor avantaje: putere disipată mică, funcţionare la frecvenţe mari ale semnalului de clock şi implementarea uşoară la nivel de tranzistor. În figura 1 este prezentat tranzistorul MOS cu canal n sub trei aspecte: structura fizică, reprezentarea layout şi reprezentarea schematică. În cadrul structurii fizice a tranzistorului nMOS substratul (bulk) este de tip p. Cele două regiuni de tip n+ constituie regiunile de difuzie ale sursei şi drenei. Poarta tranzistorului MOS este realizată, în general, din poli-siliciu şi este separată de substrat printr-un strat subţire izolator de SiO 2 (oxid de siliciu). Dacă pe poartă (poly gate) se aplică progresiv un potenţial pozitiv, atunci electronii din substrat sunt atraşi la interfaţa dintre substrat şi oxid (gate oxide). Pentru o anumită valoare a potenţialului aplicat pe poartă numărul de electroni liberi de la interfaţă depăşeşte numărul de goluri, fenomen cunoscut sub numele de inversie electronică. Aceşti electroni liberi formează curentul de conducţie drenă-sursă I DS dacă între cele două regiuni ale drenei şi sursei se aplică o diferenţă de potenţial V DS . Spaţiul situat sub poartă şi între regiunile de difuzie ale drenei şi sursei prin care circulă curentul I DS este cunoscut sub numele de canalul tranzistorului şi este caracterizat de următorii parametri geometrici: - Lungimea proiectată a canalului (L drawn ). Lungimea efectivă (L eff ), distanţa dintre regiunile de difuzie drenă-sursă, este mai mică şi variază în timpul funcţionării. Astfel, pentru tensiuni V DS mai mari L eff se micşorează şi conduce la fenomenul de modulaţie a lungimii canalului. - Lăţimea canalului (W) – este definită de lăţimea regiunilor de difuzie ale drenei şi sursei.

Transcript of Lucrare de laborator nr. 3 Proiectarea circuitelor logice ... · LEVEL=4 Model BSIM11 (Berkeley...

Page 1: Lucrare de laborator nr. 3 Proiectarea circuitelor logice ... · LEVEL=4 Model BSIM11 (Berkeley Short-channel IGFET Model) ... BSIM3v3 prin nivelele 49 şi 53, BSIM4 prin LEVEL=54

Laborator Proiectare Asistată de Calculator 2 Lucrare nr.3

1

Lucrare de laborator nr. 3

Proiectarea circuitelor logice in tehnologie CMOS

Scopul lucrării: însuşirea cunoştinţelor privind proiectarea circuitelor logice în tehnologie CMOS (tranzistorul MOS, modele SPICE, parametrii de model, structuri logice CMOS, principii de proiectare a porţilor logice simple, dimensionare tranzistoare, descriere şi simulare SPICE, caracteristici statice). I. Tranzistorul MOS

Dispozitivele logice CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductors) sunt în present cele mai utilizate dispozitive din cadrul circuitelor logice complexe cum ar fi microprocesoarele sau circuitele pentru comunicatii sau procesare de semnal.

Structura CMOS este utilizată pe scară largă în circuitele integrate datorita următoarelor avantaje: putere disipată mică, funcţionare la frecvenţe mari ale semnalului de clock şi implementarea uşoară la nivel de tranzistor.

În figura 1 este prezentat tranzistorul MOS cu canal n sub trei aspecte: structura fizică, reprezentarea layout şi reprezentarea schematică. În cadrul structurii fizice a tranzistorului nMOS substratul (bulk) este de tip p. Cele două regiuni de tip n+ constituie regiunile de difuzie ale sursei şi drenei. Poarta tranzistorului MOS este realizată, în general, din poli-siliciu şi este separată de substrat printr-un strat subţire izolator de SiO2 (oxid de siliciu). Dacă pe poartă (poly gate) se aplică progresiv un potenţial pozitiv, atunci electronii din substrat sunt atraşi la interfaţa dintre substrat şi oxid (gate oxide). Pentru o anumită valoare a potenţialului aplicat pe poartă numărul de electroni liberi de la interfaţă depăşeşte numărul de goluri, fenomen cunoscut sub numele de inversie electronică. Aceşti electroni liberi formează curentul de conducţie drenă-sursă IDS dacă între cele două regiuni ale drenei şi sursei se aplică o diferenţă de potenţial VDS. Spaţiul situat sub poartă şi între regiunile de difuzie ale drenei şi sursei prin care circulă curentul IDS este cunoscut sub numele de canalul tranzistorului şi este caracterizat de următorii parametri geometrici:

- Lungimea proiectată a canalului (Ldrawn). Lungimea efectivă (Leff), distanţa dintre regiunile de difuzie drenă-sursă, este mai mică şi variază în timpul funcţionării. Astfel, pentru tensiuni VDS mai mari Leff se micşorează şi conduce la fenomenul de modulaţie a lungimii canalului.

- Lăţimea canalului (W) – este definită de lăţimea regiunilor de difuzie ale drenei şi sursei.

Page 2: Lucrare de laborator nr. 3 Proiectarea circuitelor logice ... · LEVEL=4 Model BSIM11 (Berkeley Short-channel IGFET Model) ... BSIM3v3 prin nivelele 49 şi 53, BSIM4 prin LEVEL=54

Laborator Proiectare Asistată de Calculator 2 Lucrare nr.3

2

Gate

Sursă Drenă

Contact

Figura 1. Tranzistorul MOS sub diverse forme de reprezentare

Figura 2. Structura fizica a tranzistorului nMOS (stanga) si pMOS (dreapta)

In figura 2 este prezentată structura fizică atât pentru tranzistorul nMOS cat si pentru pMOS în cadrul tehnologiei CMOS. În cazul tranzistorului nMOS, aşa cum s-a menţionat mai sus, substratul (bulk) este de tip p iar regiunile de difuzie ale sursei şi drenei sunt de tip n+. Pentru tranzistorele MOS cu canal p substratul este de tip n şi constă în regiunea notată “n-well” în figura 2, în timp ce regiunile de difuzie ale sursei si drenei sunt de tip p+.

Din punct de vedere schematic în literatură tranzistoarele MOS sunt reprezentate prin diverse simboluri. În figura 3 sunt prezentate simbolurile uzuale atât pentru tranzistorul nMOS cât şi pentru pMOS.

Page 3: Lucrare de laborator nr. 3 Proiectarea circuitelor logice ... · LEVEL=4 Model BSIM11 (Berkeley Short-channel IGFET Model) ... BSIM3v3 prin nivelele 49 şi 53, BSIM4 prin LEVEL=54

Laborator Proiectare Asistată de Calculator 2 Lucrare nr.3

3

Figura 3. Simboluri schematice pentru tranzistoarele MOS

In figura 3(a) simbolurile tranzistoarelor MOS contin si terminalul de substrat (bulk) aici fiind conectat direct la terminalul sursa (S). In figura 3(b) si 3(c) sunt variantele de simboluri pentru nMOS si pMOS in care nu mai este reprezentat si terminalul de substrat. Lipsa terminalului de substrat în cadrul simbolurilor este motivată de faptul ca aceste terminale se conecteaza, în funcţie de tipul tranzistorului, fie la cel mai mic potential din circuit (GND sau VSS), fie la cel mai mare potential (de ex. sursa de alimentare VDD) conform următoarei reguli: Regulă de conectare a terminalelor de substrat: Toate terminalele de substrat ale tranzistoarelor nMOS se conecteaza la cel mai mic potential din circuit (GND sau VSS); toate terminalele de substrat ale tranzistoarelor pMOS se conecteaza la cel mai mare potential din circuit (VDD). Conectarea terminalelor de substrat conform regulii de mai sus asigură ca jonctiunile p-n dintre drenă-substrat şi, respectiv, sursă-substrat sa fie întotdeauna polarizate invers şi, astfel, să nu existe un curent direct de la aceste regiuni către substrat. II. Modelarea şi descrierea SPICE a tranzistoarelor MOS

Forma generală de descriere: M<nume> <nod_drena> <nod_poarta> <nod_sursa> <nod_substrat>

+ <nume_model> L=<valoare> W=<valoare>

+ [AD=<valoare>] [AS=<valoare>] [PD=<valoare>] [PS=<valoare>]

+ [M=<valoare>] Exemple: MN1 7 3 2 0 CMOSN5 L=0.5U W=4U

M5 12 4 5 9 PMOD L=1U W=10U AD=15P AS=15P PD=13U PS=13U

M10 5 6 3 0 NMOD L=0.35U W=2U M=5

Page 4: Lucrare de laborator nr. 3 Proiectarea circuitelor logice ... · LEVEL=4 Model BSIM11 (Berkeley Short-channel IGFET Model) ... BSIM3v3 prin nivelele 49 şi 53, BSIM4 prin LEVEL=54

Laborator Proiectare Asistată de Calculator 2 Lucrare nr.3

4

Definirea modelelor .MODEL <nume_model> NMOS (parametru_model=<valoare> …)

.MODEL <nume_model> PMOS (parametru_model=<valoare> …) În forma generală de descriere argumentele au următoarele semnificaţii: L – lungimea canalului W – lăţimea canalului AD, AS – aria regiunii de difuzie a drenei, respective sursei (valoare implicită=0). PD, PS – perimetrul regiunii de difuzie a drenei, respective sursei (valoare implicită=0). M – multiplicator de tranzistoare în paralel (valoare implicită=1). Tipuri de modele şi parametrii de model ai tranzistoarelor MOS În comparaţie cu alte dispozitive şi tehnologii, tehnologia tranzistoarelor MOS a cunoscut o dezvoltare continuă de la apariţia sa şi până în prezent. Astfel, tranzistoarele cu efect de câmp TECMOS au evoluat de la tranzistorul MOS cu canal p (pMOS) dezvoltat în anii `60, urmat apoi în anii `70 de tranzistorul MOS tip n (nMOS) şi, începand cu anii `80 şi `90, de circuite CMOS. Tehnologia CMOS combină ambele tipuri de tranzistoare (nMOS şi pMOS) într-un mod care reduce semnificativ puterea disipată. Primul model de tranzistor MOS implementat în cadrul simulatoarelor de circuit este bazat pe ecuaţiile modelului Shichman-Hodges (publicat în 1968). Fiind un model simplu, acesta a fost urmat de alte modele care iau în consideraţie efectele suplimentare datorate evoluţiei tehnologiei. Astfel, în paralel cu trecerea de la tehnologii CMOS de peste 1µm la tehnologii CMOS submicronice (0.8µm – 0.5µm), apoi puternic submicronice (0.35µm – 0.18µm) şi, mai recent, la tehnologii ultrasubmicronice (0.13µm – 65nm), s-au dezvoltat numeroase modele, din ce în ce mai complexe, capabile să descrie fenomenele de canal scurt din cadrul tranzistoarelor. În Fig. 4 sunt prezentate, la nivelul anului 1999, istoricul şi tendinţa rezoluţiei tehnologiei CMOS (stânga) precum şi evoluţia performanţelor în comparaţie cu evoluţia tehnologiei bipolare.

Figura 4. Istoric şi tendinţe în dezvoltarea tehnologiei CMOS. Stânga – evoluţia rezoluţiei tehnologiei

CMOS. Dreapta – evoluţia performanţelor comparativ cu tehnologia bipolară.

Page 5: Lucrare de laborator nr. 3 Proiectarea circuitelor logice ... · LEVEL=4 Model BSIM11 (Berkeley Short-channel IGFET Model) ... BSIM3v3 prin nivelele 49 şi 53, BSIM4 prin LEVEL=54

Laborator Proiectare Asistată de Calculator 2 Lucrare nr.3

5

Tipuri de modele TECMOS în PSpice Pe măsura apariţiei modelelor tranzistoarelor MOS ele au fost încorporate în cadrul noilor

versiuni ale simulatoarelor de circuit. Astfel, în cadrul simulatorului PSpice ver. 9.2 sunt implementate 7 versiuni (nivele) de modele ale tranzistoarelor MOS. Fiecare tip de model este specificat în cadrul comenzii .MODEL prin intermediul parametrului de model LEVEL, după cum urmează:

LEVEL=1 Modelul Shichman-Hodges LEVEL=2 Model analitic bazat pe parametrii geometrici ai tranzistorului LEVEL=3 Model semi-empiric pentru efectele de canal scurt LEVEL=4 Model BSIM11 (Berkeley Short-channel IGFET Model) LEVEL=5 Model EKV2 ver. 2.6 LEVEL=6 Model BSIM3 ver.2.0 LEVEL=7 Model BSIM3 ver.3.1 Modelul BSIM3 este un model compact bazat pe fizica structurii MOS, precis, scalabil,

robust şi predictiv. BSIM3 versiunea 3 (abreviat uzual ca BSIM3v3) a fost stabilit de SEMATECH ca standard în industrie şi este, din 1997, larg utilizat de majoritatea companiilor de semiconductoare şi de proiectare circuite integrate CMOS.

Pentru mai multe detalii privind modelarea tranzistoarelor MOS în PSpice se poate consulta manualul online al PSpice, care poate fi accesat din directorul unde este instalat programul (Start–>Programs–>OrCad Family Release9.2 –> Online Manual –> PSpice Reference Guide).

Observaţie – nivelele de modele MOS prezentate mai sus sunt valabile doar pentru simulatorul PSpice. Alte simulatoare de circuit tip SPICE au alte valori pentru nivelele de modele MOS. De exemplu, simulatorul HSPICE are implementate mai multe versiuni de modele TECMOS decât PSpice. În HSPICE modelul BSIM3 ver.2 este specificat prin parametrul LEVEL=47, BSIM3v3 prin nivelele 49 şi 53, BSIM4 prin LEVEL=54 iar modelul EKV prin LEVEL=55.. În general, pentru fiecare simulator trebuie consultat manualul de referinţă cu privire la modelele de dispozitive acceptate.

Ecuaţiile modelului MOS LEVEL 1 (Shichman-Hodges)

În modelul MOS LEVEL 1 nu sunt luate în consideraţie fenomenele de degradare a mobilităţii purtătorilor şi efectul de saturaţie a vitezei acestora, fenomene specifice tranzistoarelor cu canal scurt. Chiar dacă modelul Shichman-Hodges este implementat în simulatoarele de circuit, datorită limitărilor şi simplităţii sale, acesta nu este folosit în practică pentru simularea circuitelor

1 BSIM – modele dezvoltate la Universitatea Berkeley , California. http://www-device.eecs.berkeley.edu/~bsim3/ 2 EKV – model dezvoltat la EPF Laussane de Enz, Krummenacher şi Vittoz - http://legwww.epfl.ch/ekv/index.html

Page 6: Lucrare de laborator nr. 3 Proiectarea circuitelor logice ... · LEVEL=4 Model BSIM11 (Berkeley Short-channel IGFET Model) ... BSIM3v3 prin nivelele 49 şi 53, BSIM4 prin LEVEL=54

Laborator Proiectare Asistată de Calculator 2 Lucrare nr.3

6

CMOS actuale. În schimb, ecuaţiile modelului pot fi utilizate pentru consideraţii teoretice sau evaluarea aproximativă a caracteristicilor şi parametrilor circuitelor CMOS simple.

Ecuaţiile modelului Shichman-Hodges (SPICE level 1) pentru curentul ID sunt următoarele:

( )

( ) ( )⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

−>>+−

−<<>+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−

>≤

=

saturatiederegiuneaVVVşiVVVVVL

WK

liniararegiuneaVVVşiVVVVV

VVL

WK

blocatVVV

I

TGSDSTGSDSTGS

TGSDSTGSDSDSDS

TGS

DSTGS

D

;12

0;12

0,0

2 λ

λ

unde VT reprezintă tensiunea de prag şi are expresia: ( )ϕϕγ −−+= BSTOT VVV

iar K reprezintă coeficientul transconductanţei. K=µCox, unde µ – mobilitatea purtătorilor iar Cox – capacitatea specifică a stratului de oxid. Cox = ε / tox; ε – permitivitatea stratului de oxid. tox – grosimea stratului de oxid. Semnificaţia parametrilor din ecuaţiile de mai sus şi parametrii de model SPICE corespunzători sunt prezentaţi în tabelul următor:

Tabelul 1 – Lista parametrilor din modelul SPICE LEVEL1

Parametru Semnificaţie Parametru de model SPICE

Unitate de măsură

Valoare implicită

K Coeficient al transconductanţei KP A/V2 2E-5 VTO Tensiunea de prag la VBS = 0 VTO V 0

γ Parametru de prag al substratului

GAMMA V1/2

φ Potenţialul de suprafaţă PHI V 0.6

λ Coeficient de modulaţie a lungimii canalului cu VDS

LAMBDA V-1 0

µ Mobilitatea la suprafaţă UO cm2/V·s 600 tox Grosimea stratului de oxid TOX m

În figura 5 sunt prezentate caracteristicile de ieşire ale tranzistorului MOS, ID în funcţie de

VDS pentru diverse valori ale VGS. Se remarcă cele două regiuni: regiunea liniară (triodă) şi regiunea de saturaţie. Curba care separă cele două regiuni este dată de relaţia VDS = VGS-VT. De asemenea, în regiunea de saturaţie se remarcă faptul că ID variază pătratic cu VGS.

În cazul tranzistoarelor submicronice şi ultra-submicronice, datorită câmpului electric intens din canal (E=VDS/Leff) apare o scădere a mobilităţii purtătorilor ceea ce conduce la fenomenul de saturaţie a vitezei acestora (vn=µE), aşa cum este ilustrat în figura 6. Ca o consecinţă, în saturaţie curentul de drenă nu mai variază pătratic cu tensiunea VGS ci rezultă o dependenţă aproape liniară, aşa cum se poate observa în figura 7.

Page 7: Lucrare de laborator nr. 3 Proiectarea circuitelor logice ... · LEVEL=4 Model BSIM11 (Berkeley Short-channel IGFET Model) ... BSIM3v3 prin nivelele 49 şi 53, BSIM4 prin LEVEL=54

Laborator Proiectare Asistată de Calculator 2 Lucrare nr.3

7

Figura 5. Caracteristicile de ieşire ale tranzistorului MOS şi regiunile de funcţionare pentru cazul

tranzistoarelor cu canal lung.

Figura 6. Saturaţia vitezei purtătorilor în cazul tranzistoarelor submicronice (canal scurt)

Figura 7. Curentul de drenă în funcţie de VDS în cazul tranzistoarelor cu canal scurt. În saturaţie curentul depinde

aproape liniar de tensiunea VGS.

Page 8: Lucrare de laborator nr. 3 Proiectarea circuitelor logice ... · LEVEL=4 Model BSIM11 (Berkeley Short-channel IGFET Model) ... BSIM3v3 prin nivelele 49 şi 53, BSIM4 prin LEVEL=54

Laborator Proiectare Asistată de Calculator 2 Lucrare nr.3

8

III. Structuri logice CMOS

În cazul tehnologiei CMOS funcţia tranzistoarelor este de comutator. Funcţiile logice de bază sunt obţinute prin conectarea acestor comutatoare:

- în paralel pantru a obţine funcţia logică OR - în serie pentru a obţine funcţia logică AND.

Observaţie: Pentru cele mai multe familii logice funcţiile primare obţinute în tehnologia CMOS sunt inversate: NAND, NOR, inversorul simplu.

În figura 8 sunt prezentate structurile generale CMOS pentru realizarea funcţiei NAND cu n intrări, respectiv pentru realizarea funcţiei NOR cu n intrări. În cazul structurii pentru realizarea funcţiei NAND, tranzistoarele nMOS sunt conectate în serie iar tranzistoarele pMOS sunt conectate în paralel. În cazul structurii NOR, tranzistoarele nMOS sunt conectate în paralel iar cele pMOS sunt conectate în serie. Cea mai simplă poartă logică este inversorul CMOS a cărui schemă este prezentată în Fig. 9. În tehnologie CMOS pot fi implementate şi funcţii combinate de tip AOI (AND-OR-INV). Structura generală a circuitului CMOS pentru implementarea unei funcţii logice simple sau combinate este prezentată în Fig. 10.

NAND NOR

Figura 8. Schemele structurilor logice pentru implementarea funcţiilor NAND şi NOR cu n intrări.

Figura 10. Structura generală pentru implementarea funcţiilor logice

CMOS Figura 9. Inversorul CMOS

Page 9: Lucrare de laborator nr. 3 Proiectarea circuitelor logice ... · LEVEL=4 Model BSIM11 (Berkeley Short-channel IGFET Model) ... BSIM3v3 prin nivelele 49 şi 53, BSIM4 prin LEVEL=54

Laborator Proiectare Asistată de Calculator 2 Lucrare nr.3

9

Exemplu: implementarea CMOS a funcţiei )( cbaF += .

În figura 11 este exemplificat modul posibil de implementare a acestei funcţii: cu porţi logice în cascadă, respectiv în tehnologie CMOS. În primul caz, implementarea funcţiei necesită 10 tranzistoare MOS: 4+2=6 tranzistoare pentru poarta OR şi încă 4 tranzistoare pentru poarta NAND (poarta OR se obţine dintr-o poartă NOR în serie cu un inversor; poarta AND în serie cu inversorul s-a redus la o poartă NAND). În al doilea caz, implementarea funcţiei în tehnologie CMOS necesită doar 6 tranzistoare.

Figura 11. Implementarea funcţiei logice )( cbaF += cu

porţi în cascadă şi în tehnologie CMOS

IV. Dimensionarea porţilor logice CMOS

În tehnologia CMOS, în regim permanent, de exemplu în cazul unui inversor, unul dintre tranzistoare este blocat iar celălalt este în conducţie în regim liniar, fiind practic echivalent cu o rezistenţă de valoare mică. Ca urmare, capacitatea ieşirii de a furniza sau prelua curenţi este dependentă numai de tranzistoarele care realizează nivelul logic respectiv, neexistând o competiţie între tranzistoarele pull-up (pMOS) şi pull-down (nMOS) corespunzătoare. În aceste condiţii se pot proiecta dispozitive cu symetric output drive, adică capabilitate simetrică de furnizare sau preluare de curenţi către sau de la capacitatea de sarcină. În cazul unui inversor CMOS realizarea symetric output drive este impusă prin dimensionarea corespunzătoare a tranzistoarelor complementare.

În general dimensiunile minime ale canalului tranzistoarelor sunt impuse de rezoluţia tehnologiei. De exemplu, daca tehnologia CMOS considerată este de 0.25µm, atunci toate tranzistoarele din porţile logice CMOS au lungimea minimă a canalului L=0.25µm.

În consecinţă, în cadrul procesului de dimensionare a tranzistoarelor din porţile logice ramâne de stabilit valorile lăţimii canalului atât pentru tranzistoarele nMOS (Wn) cat si pMOS (Wp).

Dimensionarea lăţimii tranzistoarelor, pe baza celor menţionate mai sus, se determină din condiţia ca grupul de tranzistoare nMOS (prin care circulă curentul de descărcare a capacităţii de sarcină la masă), respectiv grupul de tranzistoare pMOS (prin care circula curentul de incărcare a capacităţii de sarcina de la VDD) să aibă aceeaşi capabilitate de a conduce curentul. Deoarece tranzistoarele prin care circulă curentul de încărcare, respectiv descărcare, lucrează în principal în regim ohmic (liniar), condiţia de mai sus presupune, în fapt, ca rezistenţele dinamice a celor două grupuri de tranzistoare nMOS si pMOS sa fie egale.

Page 10: Lucrare de laborator nr. 3 Proiectarea circuitelor logice ... · LEVEL=4 Model BSIM11 (Berkeley Short-channel IGFET Model) ... BSIM3v3 prin nivelele 49 şi 53, BSIM4 prin LEVEL=54

Laborator Proiectare Asistată de Calculator 2 Lucrare nr.3

10

Dimensionarea inversorului CMOS În cazul inversoarelor, se impune condiţia:

Rn = Rp Expresiile rezistenţelor dinamice se determină prin evaluarea conductanţei canalului

tranzistorului MOS în regiunea de funcţionare liniară. Pentru aceasta se consideră expresia curentului ID din regiunea liniară din cadrul modelului Shichman-Hodges şi, pentru simplitatea deducerii, în această regiune se neglijează termenul λ·VDS, astfel că:

DSDS

TGSD VV

VVL

WKI ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−=

2

Conductanţa canalului rezultă:

( )TDD

VVV

DSDSTGS

VVV

D

D VVL

WKVV

VVL

WKVI

GDDGS

DSDDGS

DS

−=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −−=

∂∂

===

== 00 22

Valoarea rezistenţelor echivalente a canalului pentru un tranzistoarele nMOS şi pMOS sunt:

( ) ( )TpDDpp

pp

TnDDnn

nn VVWK

LR

VVWKL

R−

=−

= ;

Din condiţia Rn=Rp de realizare a symetric output drive rezultă:

( ) ( )TpDDpp

p

TnDDnn

n

VVWKL

VVWKL

−=

Ţinînd cont că tensiunile de prag şi sunt relative egale şi LTnV TpV n=Lp, rezultă relaţia de dimensionare care face legătura între parametrii de proiectare şi parametrii de proces:

p

n

n

p

KK

WW

=

Coeficientul transconductanţei pentru tranzistoarele cu canal n, Kn, este mai mare decât coeficientul transconductanţei pentru tranzistoarele cu canal p, Kp, de 2-3 ori datorită mobilităţii mai mari a electronilor (canal n) decât a golurilor (canal p).

În concluzie, în cazul inversoarelor CMOS, lăţimea tranzistorului cu canal p este de 2–3 ori mai mare decât a celui cu canal n.

Dimensionarea porţilor logice NAND şi NOR

În cazul portilor logice de tip NAND cu n intrari, tranzistoarele nMOS sunt conectate in

serie in timp ce tranzistoarele pMOS sunt conectate in paralel. Conditia de proiectare se aplica in cazul cel mai defavorabil, si anume cand numai un singur tranzistor pMOS din structura paralel este in conductie. Tinand cont ca descarcarea capacitatii de sarcina se face prin grupul de tranzistoare nMOS conectate in serie si presupund ca toate aceste tranzistoare functioneaza in aceleasi conditii, atunci pentru dimenssionarea tranzistoarelor dintr-o poarta logica de tip NAND se pleaca de la conditia:

n·Rn = Rp In cazul portilor logice de tip NOR se aplica acelasi rationament ca si la portile de tip NAND, cu observatia ca tranzistoarele pMOS sunt conectat in serie iar tranzistoarele nMOS sunt conectate in paralel. Ca urmare, pentru dimensionare se pleaca de la conditia:

Rn = n·Rp Plecând de la condiţiile de proiectare de mai sus, pentru fiecare tip de poartă logică se ajunge la o relaţie între latimile tranzistoarelor, Wn si Wp. Din demonstraţia anterioară in cazul inversorului s-a dedus că Wp/Wn=2. Deoarece exista o singura relatie si sunt doua necunoscute, se

Page 11: Lucrare de laborator nr. 3 Proiectarea circuitelor logice ... · LEVEL=4 Model BSIM11 (Berkeley Short-channel IGFET Model) ... BSIM3v3 prin nivelele 49 şi 53, BSIM4 prin LEVEL=54

Laborator Proiectare Asistată de Calculator 2 Lucrare nr.3

11

adopta valoarea uneia dintre acestea, si anume, se adopta fie valoarea pentru Wn, fie pentru Wp, in functie care dintre acestea este mai mica. De exemplu, la inversor se adopta valoarea pentru Wn deoarece din conditia Wp/Wn=2 rezulta ca Wn este mai mica decat Wp. În general, lăţimile W ale tranzistoarelor MOS sunt mai mari decat lungimea L a canalului. În practică, valoarea minima a lăţimii W a canalului unui tranzistor MOS este in functie de tehnologie adoptata (L) si este aproximativ data de relatia:

Wmin = (1.2 ...1.4)L

Dimensionarea porţilor logice cu prag de comutare simetric O altă posibilitate de dimensionare a porţilor logice CMOS este aceea în care se urmăreşte

realizarea pragului de comutare a porţii (switching threshold) la jumătatea gamei dinamice. Prin definiţie, pragul de comutare al unei porţi logice reprezintă nivelul static de la intrare

la care ieşirea se află la jumătatea tranziţiei. În consecinţă, în cadrul acestei metode de dimensionare a tranzistoarelor dintr-o poartă

logică, se urmăreşte stabilirea unui raport optim între dimensiunile tranzistoarelor pMOS şi nMOS astfel ca, atunci cînd intrarea este la jumătatea tranziţiei, ieşirea să fie situată la acelaşi nivel, aşa cum se observă în figura 12.

Figura 12. Caracteristica statică a inversorului CMOS cu prag de comutare simetric.

Din punct de vedere practic, pentru determinarea raportului între dimensiunile

tranzistoarelor pMOS şi nMOS din inversorul CMOS pentru prag de comutare simetric se procedează în felul următor:

- se adoptă o valoare pentru lăţimea tranzistorului nMOS, Wn. - se exprimă lăţimea Wp în funcţie de Wn sub forma: Wp=k·Wn, k-parametru. - se aplică la intrare o tensiune constantă Vin=VDD/2. - se efectuează o analiză DC în funcţie de parametrul k. - de pe curba Vout (k) se determină valoarea parametrului k la care Vout= VDD/2.

Observaţie: În cazul porţilor cu mai multe intrări (NAND, NOR) apar mai multe condiţii de dimensionare, corespunzătoare combinaţiilor posibile la intrări. Din acest motiv nu se poate în fapt realiza symetric output drive perfect şi nici prag de comutare simetric valabil simultan pentru toate intrările. Soluţia este aceea de a se adopta un raport optim între dimensiunile tranzistoarelor pMOS şi nMOS astfel încât să nu existe o variaţie foarte mare între timpii de propagare LH şi HL.

Page 12: Lucrare de laborator nr. 3 Proiectarea circuitelor logice ... · LEVEL=4 Model BSIM11 (Berkeley Short-channel IGFET Model) ... BSIM3v3 prin nivelele 49 şi 53, BSIM4 prin LEVEL=54

Laborator Proiectare Asistată de Calculator 2 Lucrare nr.3

12

V. Aplicaţii

Aplicaţia 1 – inversorul CMOS. a) Să se editeze în PSpice un fişier de test pentru determinarea caracteristicii statice de

transfer a unui inversor CMOS (Fig. 14) cu tranzistoare în tehnologia de 0.35um în care raportul Wp/Wn= k =2.5. Pentru tranzistoare se vor utiliza modelele din fişierul de modele precizat de către cadrul didactic. Inversorul CMOS va fi descris ca subcircuit, ordinea terminalelor find: IN VDD OUT. Tensiunea de alimentare se consideră VDD=3.3V iar ca sarcină se va considera o capacitate CL=0.1pF

b) Efectuaţi o analiză DC în funcţie de Vin şi vizualizaţi caracteristica de transfer în cc. Determinaţi de pe caracteristică nivelele VIL, VIH şi VIM; VIL – tensiunea Vin la care Vout=0.9VDD VIH – tensiunea Vin la care Vout=0.1VDD VIM – tensiunea Vin la care Vout=0.5VDD

Figura 14 Circuit de test inversor CMOS c) Determinaţi prin simulare valoarea parametrului

k pentru care inversorul devine cu prag de comutare simetric.

d) Cu valoarea parametrului k determinată la pct. c) repetaţi analiza de la pct. b) . Vizualizaţi şi curentul absorbit din sursa de alimentare; determinaţi valoarea maximă a acestui curent. Aplicaţia 2 – proiectarea şi analiza unei porţi logice NAND sau NOR

a) Să se dimensioneze tranzistoarele nMOS şi pMOS dintr-o poartă logică NAND sau NOR cu 3 intrări considerându-se tehnologia CMOS de 0.35um. Se va considera raportul Kn/Kp=2. Pentru tranzistoarele nMOS sau pMOS având lăţimea W mai mică se va adopta pentru aceasta o valoare la alegere din intervalul (1u … 5u).

b) Să se editeze fişierul SPICE pentru determinarea caracteristicii statice de transfer a porţii logice dimensionate la pct. a). Poarta logică se va edita ca subcircuit, ordinea terminalelor fiind IN1, IN2, IN3, VDD, OUT. În funcţie de tipul porţii alese se va utiliza unul din circuitele de test din figura 15.

Figura 15. Circuite pentru simularea porţilor NAND şi NOR

c) Efectuaţi o analiză DC în funcţie de Vin şi vizualizaţi caracteristica de transfer. Determinaţi mărimileVIL, VIH şi VIM.

d) Similar ca la inversorul CMOS determinaţi prin simulare valoarea raportului dintre dimensiunile tranzitoarelor pMOS şi nMOS pentru ca poarta logică să aibă prag de comutare simetric.

Aplicaţia 3 – Implementare funcţii logice în tehnologie CMOS a) Să se deseneze schemele circuitelor CMOS pentru implementarea următoarelor funcţii logice: 1 (F ab c d= + ) şi 2 (F a b cd= + )